【正文】 58）計算得：。由于，則。即設(shè)計滿足最大卸載高度和最小卸載距離要求。裝載機要求鏟斗在工況Ⅱ和工況Ⅲ之間的任何位置都能正常卸載，即各處卸載角都必須不小于45176。對反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)進(jìn)行分析可知，由于工況Ⅱ時轉(zhuǎn)斗油缸最長，而低位卸載時轉(zhuǎn)斗油缸最短，所以，若工況Ⅱ和工況Ⅲ時的鏟斗的卸載角都不小于45176。，則它們之間各個位置必能正常卸載，因此，只要對鏟斗的高位卸載角和低位卸載角進(jìn)行計算和分析即可。高位卸載角可由式(53)導(dǎo)出，即 由于，因此鏟斗在工況Ⅳ既能正常卸載，有能自動放平。同理，低位卸載角可用下式計算。 由于，因此鏟斗在任何工況下均可順利卸載。至此，ZL50輪式裝載機工作裝置的連桿系統(tǒng)設(shè)計已滿足任務(wù)書的要求。 工作裝置的強度計算工作裝置的強度計算包括：1） 確定計算位置。2） 選取工作裝置受力最大的典型工況，確定外載荷。3） 對工作裝置進(jìn)行受力分析。4） 主要零件的強度校核 計算位置分析裝載機插入料堆，鏟起、提升、卸載等作業(yè)過程可知，裝載機在鏟掘物料時，工作裝置的受力最大，所以取鏟斗斗底與地面的前傾角為時的鏟取位置（圖516）作為計算位置。且假定外載荷作用在鏟斗的切削刃上。 外載荷的確定 外載荷的確定原則裝載機在鏟斗插入料堆，鏟取物料和舉升鏟斗的過程中，鏟斗要克服物料的阻力、物料與鏟斗間的摩擦力和物料自身的重力。這些力構(gòu)成了裝載機工作裝置的作業(yè)阻力。為了分析問題方便，假設(shè)它們作用在鏟斗齒尖的刃口上，并形成兩個集中力：水平插入阻力和垂直掘起阻力。由于鏟裝物料的種類和作業(yè)條件不同，裝載機實際作業(yè)時不可能使鏟斗切削刃均勻受載，但可簡化為兩種極端受載情況：一是對稱載荷，載荷沿切削刃均勻分布，計算時可用一個作用在斗刃中部的集中載荷來代替；二是偏心載荷，由于鏟斗偏鏟或物料的不均勻性而導(dǎo)致物料對鏟斗的載荷產(chǎn)生不均勻分布，使載荷偏于鏟斗一側(cè)，形成偏心載荷，此時，通常將其簡化后的集中載荷加在鏟斗側(cè)邊的第一個斗齒上。裝載機在鏟掘作業(yè)中，通常有以下三種受力狀況。1)鏟斗水平插入料堆，工作裝置油缸閉鎖，此時可認(rèn)為鏟斗斗刃只受水平插入阻力的作用。2)鏟斗水平插入料堆，翻轉(zhuǎn)鏟斗(操縱轉(zhuǎn)斗缸)或舉升動臂(操縱動臂舉升缸)鏟取物料時，認(rèn)為鏟斗斗齒只受垂直掘起阻力的作用。 3)鏟斗邊插入邊收斗或邊插入邊舉臂進(jìn)行鏟掘時，認(rèn)為鏟斗斗齒受水平插入阻力與垂直掘起阻力的同時作用在鏟斗的切削刃上。如果將對稱載荷和偏載情況分別于上述三種典型受力工況相結(jié)合，就可得到鏟斗六種典型的受力作用工況，如圖516所示。 (a) 水平對稱工況 (b) 垂直對稱工況 (c) 水平垂直對稱同時作用工況 (d)水平偏載 (e)垂直偏載工況 (c) 水平垂直偏載同時作用工況 圖516 工作裝置外載荷工況 外載荷計算裝載機的工作阻力是多種阻力的合成。由于物料性質(zhì)和工作機構(gòu)工作方式的不同，工作阻力有不同的計算方法，一般工作阻力通常分別按插入阻力、掘起阻力和轉(zhuǎn)斗阻力矩進(jìn)行計算。(1)插入阻力插入阻力就是鏟斗插入料堆時，料堆對鏟斗的反作用力。插入阻力由鏟斗前切削刃和兩側(cè)斗壁的切削刃的阻力，鏟斗底和側(cè)壁內(nèi)表面與物料的摩擦阻力，鏟斗斗底外表面和物料的摩擦阻力組成。這些阻力與物料的種類、料堆高度、鏟斗插入料堆的深度、鏟斗的結(jié)構(gòu)形狀等有關(guān)。計算上述阻力比較困難，一般按以下經(jīng)驗公式來確定插入阻力。 (N) (59)式中 —物料塊狀與松散程度系數(shù)； —物料性質(zhì)系數(shù)； —料堆高度系數(shù)； —鏟斗形狀系數(shù)；B—鏟斗寬度，cm；L—鏟斗的一次插入深度，cm。查取參考文獻(xiàn)[3]，取，，B=，L=60cm。計算得：。(2)掘起阻力掘起阻力就是指鏟斗插入料堆一定深度后，舉升動臂時物料對鏟斗的反作用力。掘起阻力同樣與物料的種類、快度、松散程度、密度、料堆之間及物料與鏟斗之間的摩擦阻力有關(guān)。掘起阻力主要是剪切阻力。最大掘起阻力通常發(fā)生在鏟斗開始局生的時刻，此時鏟斗中物料與料堆之間的剪切面積最大，隨著動臂的舉升掘起阻力逐漸減小。鏟斗開始舉升時物料的剪切力按下式計算。 (N) (510)式中 K—開始舉升鏟斗時物料的剪切應(yīng)力，它通過實驗測定，～，剪切應(yīng)力的平均值取K=35000Pa； B—鏟斗寬度，m； —鏟斗插入料堆的深度，m。其中K=30000Pa，B=，=。計算得:(3)轉(zhuǎn)斗阻力矩當(dāng)鏟斗插入料堆一定深度后，用轉(zhuǎn)斗油缸使鏟斗向后翻轉(zhuǎn)，料堆對鏟斗的反作用力矩稱為轉(zhuǎn)斗阻力矩。當(dāng)用鏟斗翻轉(zhuǎn)鏟取物料時，在鏟斗充分插入料堆轉(zhuǎn)斗的初始時刻，轉(zhuǎn)斗的靜阻力矩最大，用表示，此時鏟斗轉(zhuǎn)角；其后，轉(zhuǎn)斗靜阻力矩隨著鏟斗翻轉(zhuǎn)角的變化而按雙曲線特性變化。開始鏟取時的靜阻力矩為 (Nm) (511) 式中 —開始轉(zhuǎn)斗時的插入阻力，N； x—鏟斗回轉(zhuǎn)中心與斗刃的水平距離，m； y—鏟斗回轉(zhuǎn)中心與地面的垂直距離，m； L—鏟斗的插入深度，m。 根據(jù)鏟斗的設(shè)計數(shù)據(jù)，得x=，y=。又L=，=17598N。 計算得：。 轉(zhuǎn)斗阻力矩計算：鏟斗在料堆中轉(zhuǎn)斗時，除了要克服料堆的靜阻力矩之外，還要克服鏟斗自重力和鏟斗中物料所產(chǎn)生的阻力矩。因此，開始轉(zhuǎn)斗的阻力矩為 (Nm) (512) 式中 —轉(zhuǎn)斗阻力矩，Nm； —開始轉(zhuǎn)斗靜阻力矩，Nm； —輪式裝載機額定載重量重力，N； —鏟斗自重力，N； —鏟斗中心至回轉(zhuǎn)中心B的水平距離，m。 其中，,。 計算得：。 作用在連桿上的力：鏟斗充分插入料堆后開始轉(zhuǎn)斗時，作用在鏟斗與轉(zhuǎn)斗連桿鉸銷上的力(見圖517所示)為 (513) 式中 —鏟斗回轉(zhuǎn)中心至的作用線的垂直距離，m。 其中。 計算得：。 圖517 作用在轉(zhuǎn)斗連桿上力的確定 這里需要說明的是，插入阻力、掘起阻力和轉(zhuǎn)斗阻力并不是任何工況下都同時存在，而是隨著鏟掘的方法不同，存在一種、兩種或三種。例如，采用一次鏟掘時，在鏟斗插入料堆的過程中，只有插入阻力。而當(dāng)插入停止后鏟斗由轉(zhuǎn)斗油缸反轉(zhuǎn)時，只存在轉(zhuǎn)斗阻力矩。當(dāng)采用鏟斗在插入料堆的同時，進(jìn)行舉升動臂的聯(lián)合鏟掘時，則在此工作過程中同時存在插入阻力和掘起阻力。如果鏟斗插入料堆的同時，又配合鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動臂的舉升運動，則三種同時存在。后兩種工況由于鏟斗插入料堆的深度較小，實際上總阻力比一次插入鏟掘時的阻力要小。 工作裝置的受力分析在此，我只針對裝載機在對稱載荷工況下進(jìn)行受力分析。假設(shè)物料對鏟斗的力作用在鏟斗齒尖的刃口上，并形成兩個集中力：水平插入阻力；垂直掘起阻力。對稱載荷工況可簡化為平面靜定系統(tǒng)計算，但需要做如下假設(shè)。1)忽略鏟斗和支撐橫梁對工作裝置各構(gòu)件受力和變形的影響。根據(jù)這個假設(shè)，由于工作裝置構(gòu)件為對稱構(gòu)件(對稱于機器的縱軸線)，當(dāng)載荷是對稱作用時，兩側(cè)桿件受力相等，各為相應(yīng)工況外載荷的一半，可單獨取一側(cè)桿件系統(tǒng)并視為平面力系進(jìn)行受力分析。即 , 每一側(cè)連桿機構(gòu)各構(gòu)件軸線均假設(shè)在同一平面內(nèi)，所有作用力都通過各桿件斷面彎曲中心，忽略各桿件因不在同一平面內(nèi)所引起的扭矩，計算時可以用桿件的中軸線來代替實際構(gòu)件。 根據(jù)以上假設(shè)，就可以將工作裝置這樣一個空間超靜定結(jié)構(gòu)，簡化為一般平面問題進(jìn)行受力分析。計算工作裝置各構(gòu)件受力時，首先以鏟斗為受力分離體，去掉約束以反力代替，然后，根據(jù)構(gòu)件中的連接順序，一次求出各構(gòu)件的受力。此時工作裝置各構(gòu)件的受力簡圖如(518)所示，并規(guī)定任何構(gòu)件中力的符號以拉力為正，壓力為負(fù)。這樣根據(jù)平面靜力學(xué)公式可列出工作裝置各構(gòu)件的靜力學(xué)計算平衡方程。圖518 工作裝置受力分析 (1)對于鏟斗 其中，=17598N,=118285N,=，=，=，=，=3176。 計算得：=。 (2)連桿EF受力 因為連桿為二力桿件，所以 (3)搖臂受力 其中，=，=3176。，=，=，=，=,=26176。 計算得：=。 (4)動臂受力 其中，=，=，=，=，=，=，=36176。計算得：=。 工作裝置的強度校核在求得工作裝置各主要構(gòu)件受力的基礎(chǔ)上，計算各構(gòu)件的內(nèi)力，并進(jìn)行危險斷面的強度校核。在對稱載荷的作用下，此時動臂可看做是支撐在車架A點和動臂油缸上鉸接點H的雙支點懸臂變截面曲梁。為簡化計算，將動臂主軸線分成GI、IJ、JH、HA等折線段，見圖519所示。 圖519 動臂內(nèi)力計算 (1)GI段和IJ段 軸向力 其中 計算得： 其中 計算得： 剪力 計算得： 計算得： 彎矩 其中 計算得： 其中 計算得：：(2)JH段和HA段軸向力 其中 計算得： 其中 計算得： 剪力 計算得： 計算得： 彎矩 其中 計算得： 根據(jù)所得計算結(jié)果畫出對稱載荷引起的動臂內(nèi)力圖，如圖(520)所示。(a)軸力圖(KN) (b)剪力圖(KN) (c)彎矩圖(KNm) 圖520 動臂內(nèi)力圖通過動臂內(nèi)力圖的分析比較，動臂在H點截面處為危險截面。在此截面上有彎曲應(yīng)力、正應(yīng)力和剪應(yīng)力，以其合成應(yīng)力所表示的強度條件為 （514） (515)式中 ——計算斷面H處對Z軸的彎矩； ——計算斷面H處的軸向力； A——側(cè)動臂斷面H處的截面積。 W——計算斷面H處對Z軸的抗彎斷面系數(shù)，； ——側(cè)動臂斷面H處的鋼板厚度； H——斷面H處的高度其中，， 。計算得：。動臂材料選用16Mn鋼，查取文獻(xiàn)得，，取安全系數(shù)為2，于是得。即動臂強度設(shè)計符合要求。搖臂的危險截面在支座D點附近,在此斷面作用有彎曲應(yīng)力和正應(yīng)力。其合成應(yīng)力表示的強度條件為 (516) 其中，彎矩,軸向力，A=。計算得：。搖臂材料選取Q235鋼，查取文獻(xiàn)得，取安全系數(shù)為2，于是。即搖臂強度設(shè)計符合要求。一般在鏟斗掘起時，連桿受拉，按此工況進(jìn)行強度計算。由前面計算可知，連桿在掘起時，受拉力為=，截面面積A=。按照連桿強度條件 (517)計算得：連桿材料選取Q235鋼，查取文獻(xiàn)得，取安全系數(shù)為2，于是。即連桿強度設(shè)計符合要求。對于鉸銷，我們只需驗算彎曲強度和擠壓強度，見圖521所示。 圖521 鉸銷強度計算鉸銷的彎曲內(nèi)力強度條件為 (518)式中 P——計算載荷，為鉸接點所受載荷的一半； ——銷軸的長度，且 W——銷軸的斷面系數(shù)。銷軸支座的擠壓應(yīng)力為 （519）銷軸套的擠壓應(yīng)力為 (520)式中 ——軸套的支承長度。強度計算中所用的許用應(yīng)力按下式選取，即 (521)式中 ——材料屈服極限（國內(nèi)裝載機工作裝置的動臂常用16Mn鋼，；搖臂材料常用Q235鋼，；銷軸的材料常用40Cr，） n——安全系數(shù)。銷軸的材料我們選取了40Cr，查取文獻(xiàn)得對于鉸銷，G點出受力為 計算得：又，，計算得：,，由于銷軸的材料為40Cr，我們?nèi)“踩禂?shù)為2，因此。根據(jù)計算結(jié)果比較得到：。因此，銷軸的強度設(shè)計符合要求。 反轉(zhuǎn)六連桿工作裝置液壓系統(tǒng)